Технология сварочного производства

Технология сварочного производства

Контрольная работа

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Содержание

1. Физическая сущность сварки. Классификация видов сварки

. Термический класс сварки

.1 Электродуговая сварка

.2 Плазменная сварка

.3 Электрошлаковая сварка

.4 Газовая сварка и резка металлов

. Термомеханический и механический классы сварки

.1 Электрическая контактная сварка

. Новые способы сварки

. Технология сварки различных металлов и сплавов

.1 Свариваемость металлов и сплавов

.2 Сварка углеродистых и легированных сталей

.3 Сварка высоколегированных сталей

.4 Сварка чугуна

.5 Сварка алюминия и его сплавов

.6 Сварка меди и ее сплавов

.7 Сварка магниевых сплавов

.8 Сварка титановых сплавов

. Контроль качества сварных соединений

. Технологичность сварных соединений

Литература

1. Физическая сущность сварки. Классификация видов сварки

Сваркой называется технологический процесс получения неразъемного соединения отдельных заготовок или узлов из твердых материалов за счет межатомных сил сцепления с применением нагрева их до жидкого или пластического состояния и с приложением механического усилия или без него. Сваривать можно как металлы, так и неметаллические материалы: пластмассы, стекло, горные породы, костное вещество и др.

Твердые тела, состоящие из элементарных частиц (атомов), связаны в одно целое силами сцепления, которые возникают вследствие взаимодействия электронных оболочек атомов. Чтобы получить из твердых частей неразъемное соединение, необходимо привести в действие силы сцепления. Для чего нужно сблизить атомы соединяемых частей на расстояние, равное параметру их кристаллической решетки (т.е. на расстояние порядка 1А=10⁸ см), а затем активизировать силы сцепления. Такому сближению атомов препятствуют, как правило, неровности поверхностей соединяемых частей, их загрязнение окислами, органическими пленками и адсорбированными газами. Чтобы устранить это препятствие, применяют нагрев соединяемых частей или давление (либо то и другое в комплексе).

Бурное развитие промышленности и всех отраслей техники вызывает появление и развитие новых видов сварки. В настоящее время современный сварочный процесс насчитывает более 60 видов.

Все виды сварки классифицируются по форме подводимой энергии. Различают термический, термомеханический и механический классы сварки.

К термическому классу относятся виды сварки плавлением с использованием тепловой энергии (дуговая, плазменная, электрошлаковая, газовая, электронно-лучевая, лазерная и др.).

К термомеханическому классу относятся виды сварки, с использованием тепловой энергии и давления (контактная, диффузионная, газопрессовая и др.).

К механическому классу относятся виды сварки, осуществляемые с использованием механической энергии и давления (ультразвуковая, трением, холодная и др.).

2. Термический класс сварки

.1 Электродуговая сварка

Дуговая электрическая сварка является в настоящее время наиболее распространенным видом сварки, т.к. в большинстве случаев наиболее дешева, позволяет получить высокие температуры и легко реализуется. Источником тепла при дуговой сварке является электрическая дуга, которая горит между двумя электродами. Обычно одним электродом является свариваемое изделие.

Для питания дуги используются как постоянный, так и переменный ток. Дуга может быть открытой и защищенной слоем флюса.

Различают следующие схемы электродуговой сварки.

Сварка неплавящимся электродом (по способу Бенардоса).

В качестве неплавящегося электрода используется вольфрамовый или угольный электрод.

Сварка плавящимся металлическим электродом (по способу Славянова).

Сварка дугой косвенного действия.

Свариваемая деталь не является электродом. За счёт тепла дуги, горящей между двумя электродами, оплавляется основной металл и один из электродов (или оба электрода).

Сварка трёхфазной дугой. В этом случае дуга горит между электродами и между каждым электродом и изделием.

Электрическая дуга и ее свойства

Электрическая дуга, используемая при сварке - так называемая сварочная дуга - является мощным, длительно существующим между находящимися под напряжением электродами электрическим разрядом в смеси паров и газов. В обычных условиях при низких температурах газы не проводят электрический ток. Для того чтобы газ был проводником электрического тока, в нем должны быть заряженные частицы - электроны и ионы. Это достигается за счет внешней энергии (тепловой и электрической). Количество энергии, необходимое для полного удаления электрона из атома, пара или газа, т.е. на получение свободного электрона и положительного иона, называется потенциалом ионизации и выражается в электрон-вольтах (Э-B). Наименьший потенциал ионизации имеют вещества, содержащие элементы щелочной группы.

Зажигание электрической дуги происходит в три этапа:

1 Короткое замыкание электрода на свариваемое изделие с целью разогрева торца электрода и зоны контакта изделия под электродом.

Отвод электрода на расстояние 3…6 мм от изделия. При этом с торца электрода происходит эмиссия (испускание) электронов.

Возникновение и поддержание устойчивого дугового разряда.

Суть процесса зажигания дуги сводится к следующему.

Движущиеся с большой скоростью электроны ионизируют газ между электродом и деталью. Газ становится электропроводным - возникает электрический разряд в газе - сварочная дуга. В дуговом промежутке различают три характерные области: катодную, примыкающую к катоду, длина её примерно 10^-5 см, анодную, примыкающую к аноду, протяженностью 10³…10^-5см, и положительный столб дуги - средняя часть дугового промежутка. При дуговом разряде на поверхности анода и катода образуются наиболее нагретые участки, так называемые анодное и катодное пятна.

Сварочная дуга характеризуется выделением большого количества тепла и сильным лучеиспусканием. Температура столба дуги достигает 6000…8000 ⁰С, и на активных пятнах близка к температуре кипения металла. При этом в анодной области дуги выделяется, как правило, значительно больше тепловой энергии.

Полная тепловая мощность дуги, Дж/с, равна Q = KI_cвU_д, где К - коэффициент несинусоидальности напряжения и тока (К = 1 - для постоянного тока, К = 0,7…0,97 - для переменного тока); I_св - сварочный ток, А; U_д - напряжение дуги, В.

Часть мощности дуги, расходуемая на нагрев заготовки, называется эффективной тепловой мощностью дуги и равна, Дж/с, q = hQ, где h - КПД дуги, h = q/Q величина его зависит от способа сварки, вида и состава сварочных материалов (0,6…0,9).

К основным параметрам, характеризующим электрические свойства дуги, относятся: напряжение, ток, длина дуги. Зависимость между напряжением и током дуги при её устойчивом горении выражается статистической вольтамперной характеристикой (рис.1).

Характеристика может быть падающей (участок 1), жесткой (2), возрастающей (3). Самое широкое применение имеет дуга с жесткой характеристикой.

Дугу с возрастающей характеристикой применяют при автоматической сварке под флюсом на повышенных плотностях тока и при сварке в среде защитных газов плавящимся электродом. Дуга с падающей характеристикой малоустойчива и имеет ограниченное применение.

Рисунок 1

Источники питания сварочной дуги

Должны обеспечивать возбуждение и стабильное горение дуги, ограничивать ток короткого замыкания и быть безопасными в работе. В момент зажигания дуги вследствие недостаточной степени ионизации воздушного промежутка требуется повышенное напряжение. Величина напряжения, необходимого для зажигания дуги (Uз), должна быть не ниже 30…35 В для источников постоянного тока и не менее 50…55 В для источников переменного тока, в то время как для устойчивого горения дуги в установившемся режиме достаточно напряжения 18…30 В. Из условия безопасности Ux.x (напряжение холостого хода источника) не должно превышать 80 В.

При коротких замыканиях сварочной цепи, происходящих как в момент зажигания дуги (для переменного тока 50 раз/с) и переноса электродных капель через дуговой промежуток, сварочный ток сильно возрастает. При этом для предохранения обмоток источника питания от перегрева и повреждения ток короткого замыкания не должен превышать сварочный ток более чем на 40…50%. Для ограничения тока короткого замыкания необходимо, чтобы источники питания имели так называемую падающую внешнюю характеристику.

Внешней характеристикой источника называется зависимость напряжения на его выходных клеммах от тока в электрической цепи. Внешние характеристики могут быть следующих видов: падающая 1, полого падающая 2, жесткая 3 и возрастающая 4 (рис.2).

Падающая или полого падающая внешняя характеристика обеспечивает устойчивое горение дуги с жесткой характеристикой (ручная дуговая сварка, автоматическая под флюсом, сварка в защитных газах неплавящимся электродом).

Рисунок 2

Режим горения дуги определяется точкой пересечения характеристики дуги 2 и источника питания 1 (рис.3). Точка С соответствует режиму устойчивого горения дуги, точка А - режиму холостого хода (в период разомкнутой сварочной цепи), точка Д - режиму короткого замыкания. Для питания дуги с возрастающей статической характеристикой (обеспечения устойчивости дуги) применяют источники тока с жесткой или с возрастающей характеристикой (сварка в среде защитных газов плавящимся электродом, автоматическая под флюсом на токах повышенной плотности).

Рисунок 3

Для питания сварочной дуги применяют источники переменного тока (сварочные трансформаторы) и постоянного тока (сварочные выпрямители и генераторы). Источники переменного тока находят большее применение, так как проще в эксплуатации, значительно долговечнее и обладают более высоким КПД. В тоже время при использовании постоянного тока повышается устойчивость горения дуги (особенно при сварке на малых токах), улучшаются условия сварки в различных пространственных положениях, есть возможность вести сварку на прямой и обратной полярности.

Сварочный трансформатор - снижает напряжение сети (220 или 380 В) до напряжения холостого хода трансформатора (60…80 В). Как правило, трансформаторы имеют падающую внешнюю характеристику и используются для ручной дуговой сварки и автоматической сварки под флюсом.

Сварочные преобразователи - источники постоянного тока состоят из генератора постоянного тока и электродвигателя переменного тока или двигателя внутреннего сгорания. Подразделяют на однопостовые и многопостовые.

Сварочные выпрямители - получили большое распространение. Их основные преимущества: высокий КПД, отсутствие вращающихся частей, бесшумность в работе, небольшая масса.

Выпрямители состоят из двух основных блоков: понижающего трёхфазного трансформатора с устройством регулирования напряжения или тока и выпрямительного блока.

Выпрямление тока осуществляется по трёхфазной схеме Ларионова. Мост состоит из 6 плеч, в каждом из которых установлены диоды, обеспечивающие выпрямление обоих полупериодов переменного тока в трех фазах. Применяют различные типы сварочных выпрямителей:

б) с падающей внешней характеристикой для ручной сварки;

в) универсальные. Предназначены для питания дуги при сварке под флюсом, в защитных газах, а также при ручной сварке.

Ручная дуговая сварка

Выполняется сварочными электродами, которые подаются в зону дуги и перемещаются вдоль стыка вручную. Металлический сварочный электрод состоит из металлического стержня и электродного покрытия. В процессе сварки дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл стекает каплями в металлическую ванну. Покрытие электрода также плавится и разлагается, образуя защитную газовую атмосферу и жидкую шлаковую ванну. Жидкий металл, кристаллизуясь, образует сварной шов, жидкий шлак после остывания - твердую шлаковую корку. Таким образом, процесс сварки связан со следующими основными физическими явлениями: расплавлением основного и присадочного металла, кристаллизацией оплавленного металла. При этом в зоне сварочной дуги протекает ряд металлургических процессов, связанных с окислением или испарением легирующих элементов, поглощением газов (О, Н, N) расплавленным металлом. В результате состав сварочного шва может отличаться от составов электродного и основного металла. Кроме того, может наблюдаться снижение механических свойств шва. В связи с этим с помощью электродного покрытия и стержня электрода при сварке обеспечиваются процессы раскисления и легирования металла шва.

Электроды и электродные покрытия для дуговой сварки

Для заполнения шва в зону дуги вводят присадочный металл в виде прутка при ручной дуговой сварке или проволоки при механизированной сварке. Стальная холоднотянутая проволока, идущая на изготовление электродов или применяемая как сварочная изготовляется диаметром от 0,3 до 12 мм. Проволока диаметром 0,3…3 мм используется для механизированной сварки в среде защитных газов от 2 до 6 мм - механизированной сварке под флюсом, 1,6…12 мм - для изготовления электродов. По химическому составу ГОСТ устанавливает три группы марок сварочной проволоки: 1 - низкоуглеродистые с содержанием не более 0,12% С, 2 - легированные, 3 - высоколегированные. Маркируются: 1 - СВ08, 2 - СВ08Г2С, 3 - СВ10Х13.

Металлические сварочные электроды изготавливают диаметром 1,6; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 12 мм. Длина стержня в зависимости от диаметра составляет 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450 мм.

Электроды классифицируют по назначению и виду покрытия. По назначению стальные электроды подразделяются на 5 классов: для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей с s_в  600 МПа, легированных конструкционных сталей с s_в > 600 МПа, легированных жаропрочных сталей, высоколегированных сталей с особыми свойствами и для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами.

По виду покрытия электроды делят на электроды с кислым (А), рутиловым (Р), основным (Б) и целлюлозным (Ц) покрытием.

Электродные покрытия делят на две группы: тонкие (стабилизирующие или ионизирующие), толстые (качественные).

Тонкие покрытия не создают защиты металла, его используют для неответственных швов.

Ответственные сварные соединения выполняют электродами с качественным покрытием.

Покрытие выполняет следующие функции:

Обеспечивает устойчивое горение дуги.

Защищает расплавленный металл шва от воздействия кислорода и азота воздуха.

Раскисляет металл шва.

Легирует металл шва.

Рафинирует (удаляет S и P).

Образует шлаковую корку (замедляет охлаждение металла, тем самым способствует выходу газов и неметаллических включений на поверхность металла шва).

Для выполнения названных функций качественное покрытие должно содержать следующие компоненты:

Ионизирующие (мел, мрамор, поташ, полевой шпат, РЗМ и др.).

Газообразующие (крахмал, древесная мука, целлюлоза и др.).

Шлакообразующие (полевой шпат, кварц, мрамор, плавиковый шпат, рутил, марганцевая руда и др.).

Раскисляющие (ферросплавы, графит и др.)

Легирующие (ферросплавы).

Связующие (жидкое стекло).

В зависимости от шлаковой основы покрытия подразделяют на 4 вида:

Кислые покрытия содержат руды железа и марганца. Для уменьшения окисления вводят ферросплавы. Рутиловые в качестве шлакообразующих компонентов содержат рутил - основной компонент, а также полевой шпат и мрамор. Раскислитель - FeMn.

Основные покрытия (фтористо-кальциевые) на основе мрамора и плавикового шпата.

Отсутствие оксидов железа и марганца позволяет легировать металл. В качестве раскислителей применяют FeTi , FeMn, FeSi.

Целлюлозные покрытия содержат главным образом органические компоненты в качестве газообразующих и связующих веществ. Раскислители - ферросплавы.

Технология ручной дуговой сварки

Основные типы, конструктивные элементы и размеры сварных соединений, выполняемых ручной сваркой металлическим электродом при толщине изделия до 175 мм регламентирует ГОСТ. Установлены следующие типы соединений: стыковые (С), угловые (У), тавровые (Т ), внахлёстку (В).

Сварные швы подразделяют по следующим признакам:

По положению относительно действующей силы (фланговые, лобовые, косые).

По положению в пространстве (нижние, горизонтальные, вертикальные, потолочные, в лодочку).

По внешней форме (выпуклые, нормальные, вогнутые).

По протяженности (непрерывные или сплошные, прерывистые).

Режим сварки - совокупность параметров, определяющих процесс сварки: вид тока, диаметр электрода, напряжение и сварочный ток, скорость перемещения электрода вдоль шва и др. Основными параметрами режима ручной дуговой сварки являются диаметр электрода и значение сварочного тока. Остальные параметры выбирают в зависимости от марки электрода, положения свариваемого шва в пространстве, вида оборудования и др.

Диаметр электрода (d_э) устанавливают в зависимости от толщины свариваемых кромок, вида сварного соединения и размеров шва.

Значение сварочного тока (I св) устанавливается по формуле в зависимости d_э и типа металла стержня электрода:

в = kd_э,

где K= 40…60 для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали;= 35…40 для электродов со стержнем из высоколегированной стали.

Технико-экономические показатели ручной сварки

Недостатки:

Невысокая производительность.

Невысокое качество шва.

Большие потери энергии.

Потери металла на разбрызгивание, огарки.

Достоинства:

Дешевизна.

Универсальность.

Маневренность.

Автоматическая и полуавтоматическая дуговая сварка

Автоматическая сварка под флюсом имеет следующие преимущества в сравнении с ручной.

Высокая производительность (в 5…20 раз выше чем при ручной - Icв до 2000 А, Vсв до 100 м/ч и более).

Высокое качество шва (вследствие устойчивого горения дуги и лучшей защиты).

Минимальные потери на разбрызгивание, огарки, угар металла.

Минимальные потери энергии.

Простота обслуживания (невысокая квалификация сварщика).

Лучшие условия труда.

Недостаток - неуниверсальность (применяется при сварке прямых и кольцевых швов большой протяженности) в нижнем положении.

При автоматической сварке под флюсом используют непокрытую электродную проволоку и флюс для защиты дуги и сварочной ванны от воздуха. Подача и перемещение электродной проволоки механизированы.

Дуговую сварку под флюсом выполняют сварочными автоматами: сварочными головками или самоходными тракторами, перемещающимися непосредственно по изделию.

Сварочные автоматы можно разделить на две большие группы:

С регулированием электрических величин (Iсв, Ug). Эти автоматы имеют переменную скорость подачи проволоки при сварке.

С постоянной скоростью подачи электрода (основанные на явлении саморегулирования дуги). Саморегулирование дуги действует интенсивно при достаточных плотностях тока, для небольших плотностей тока обязательно автоматическое регулирование дуги, т.к. саморегулирование протекает медленно, и есть опасность коротких замыканий дугового промежутка или, наоборот, обрыва дуги.

Сварочные флюсы служат для защиты наплавляемого металла от воздуха, легирования шва необходимыми присадками и интенсивного раскисления. Взаимодействуя с жидким металлом, расплавленный флюс в значительной степени определяет химический состав металла, а следовательно, и его механические свойства. Образуя шлаковую корку, флюс способствует медленному остыванию металла, выходу на поверхность газов и шлаковых включений и образованию плотного качественного шва. Флюс поддерживает устойчивое горение дуги.

Флюсы классифицируются по назначению, химическому составу и способу изготовления.

По назначению флюсы делятся для сварки углеродистых, легированных и высоколегированных сталей.

По способу изготовления делятся на плавленые и керамические.

Полуавтоматическая сварка под флюсом сочетает в себе универсальность и маневренность ручной сварки с преимуществом автоматической. Проволока в зону сварки подается по гибкому шлангу 5 с помощью механизма подачи 4, перемещения горелки с воронкой для флюса 6 вдоль стыка осуществляется вручную (рис.4).

Сварка производится на повышенных плотностях тока - до 200 А/мм2, что позволяет применять проволоку диаметром 1,2…2,5 мм.

1 - источник питания; 2 - шкаф управления;

- кассета с электродной проволокой; 4 - механизм подачи;

- гибкий шланг; 6 - горелка с воронкой для флюса

Рисунок 4

Высокие плотности тока повышают коэффициент плавления и глубину провара - уменьшается расход проволоки, электроэнергии, повышается производительность процесса. Сваривают наклонные, короткие, прерывистые швы.

Сварка в среде защитных газов

Это один из способов дуговой сварки, при котором для защиты сварочной ванны от влияния воздуха дуга горит в оболочке из защитного газа.

Известны следующие разновидности сварки. В инертных одноатомных газах: аргоне и гелии, в нейтральных двухатомных газах: водороде и азоте, в углекислом газе. В последнее время находит применение сварка в смесях газов: на основе аргона - двойных (Ar+CO2; Ar+5%O2), тройных (75%Ar+20%CO2+5%O2); на основе углекислого газа - двойных (CO2+5%O2; CO2+10%O2; CO2+30%O2).

Сварку можно выполнять вручную, полуавтоматом и автоматом.

Сварка проводится как неплавящимся, так и плавящимся электродом. В газовых смесях осуществляется сварка плавящимся электродом.

Преимущества сварки:

) высокая производительность;

) отсутствие необходимости применения флюсов и последующей очистки шва от шлака;

) возможность наблюдения за процессом формирования шва;

) малая зона термического влияния.

Аргонодуговая сварка может осуществляться неплавящимся и плавящимся электродом. Первая - для металла толщиной от 0,5 мм до 6 мм; вторая при S = 1,5 мм и более. В качестве неплавящегося электрода чаще всего используется вольфрам с добавкой лантана или тория. Сварка неплавящимся электродом ведется на постоянном токе прямой полярности (дуга горит стабильно при низком напряжении 10…15 В). При обратной полярности процесс неустойчивый, но имеет место полезное свойство катодного распыления (разрушение окисных пленок), поэтому при сварке AL и Mg применяется переменный ток. При этом для обеспечения устойчивого горения дуги используют осциллятор (специальное разрядное устройство). При сварке плавящимся электродом обеспечивается нормальный процесс и хорошее качество шва в случае высокой плотности тока (100 А/мм² и более) - (мелкокапельный и струйный перенос, малое разбрызгивание). При малых плотностях тока - крупнокапельный перенос, разбрызгивание повышено: следствие - пористость, малое проплавление основного металла. В соответствии с необходимостью применения высоких плотностей тока используют проволоку малого диаметра (0,6…3 мм) и большую скорость её подачи. Такой режим обеспечивается только механизированной подачей проволоки . Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности. Часто используют смесь Ar+5% O₂.

Сварка в углекислом газе выполняется только плавящимся электродом на повышенных плотностях тока обратной полярности. Следует иметь в виду, что при высоких температурах СО₂ диссоциирует на СО и О. Кислород приводит к окислению легирующих элементов. Окисление компенсируют применением сварочной проволоки с дополнительным содержанием Si и Mn (раскислителей) - Св-08ГС; Св-10Г2С. Часто используют смесь СО₂+10% О₂. Кислород уменьшает поверхностное натяжение расплавленного металла, что способствует уменьшению критической плотности тока, при которой наступает струйный перенос. Одновременно повышается устойчивость процесса сварки на небольших токах, что обеспечивает сварку металла малой толщины.

Сваркой в СО₂ сваривают обычно углеродистые и низколегированные стали автоматом и полуавтоматом.

.2 Плазменная сварка

Осуществляется плазменной струёй или плазменной дугой. Применяемая для сварки плазменная струя представляет собой направленный поток частично или полностью ионизированного газа, имеющего температуру 10000…20000 0С. Плазму получают в плазменных горелках, пропуская газ через столб сжатой дуги. При этом столб дуги сжимается, что приводит к повышению в нём плотности энергии и температуры. Проходящий газ нагревается, ионизируется и выходит из сопла в виде высокотемпературной плазменной струи. В качестве плазмообразующих газов применяют N2, Ar, H2, He, воздух и их смеси.

В горелках для получения плазменной струи дуга 1 горит между вольфрамовым электродом 2 и соплом 5, которое включено в электрическую цепь. Сопло охлаждается водой. Образующаяся плазменная струя 6 выходит из сопла и представляет собой независимый источник теплоты. Тепловая мощность плазменной струи ограничена, и её применяют для сварки и резки тонких металлических листов и неэлектропроводных материалов, а также напыления тугоплавких материалов на поверхность заготовки.

Большей тепловой мощностью обладает плазменная дуга, поэтому она имеет более широкое применение при обработке материалов, например высоколегированных сталей и тугоплавких металлов и сплавов. Плазменная дуга представляет собой дугу, горящую между электродом и заготовкой, окруженную плазмой.

По сравнению с аргонодуговой сваркой плазменная дуга обладает большей проплавляющей способностью и более высокой стабильностью горения, что обеспечивает повышение качества швов и позволяет выполнять микроплазменную сварку (толщина металла 0,025…0,8 мм на токах 0,5…10 А).

.3 Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка является самым высокопроизводительным способом автоматической сварки плавления металла значительной толщины (50…4000 мм). При ней плавление основного и электродного металла осуществляется теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через расплавленный шлак. Сварка производится снизу вверх при вертикальном положении шва. При этом сварочный автомат либо перемещается непосредственно по изделию (безрельсовый), либо по рельсовой колонне, устанавливаемой параллельно свариваемой кромке.

Процесс сварки начинается между кромками основного металла 10 и формирующими ползунами 3 путем расплавления флюса, засыпаемого в зазор между кромками. Плавление флюса осуществляется в начальный момент электрической дугой, возбуждаемой между электродами 4 и вводной планкой 9. После накопления жидкого шлака дуга гаснет и начинается шлаковый процесс, т.е. электрический ток проходит через слой расплавленного шлака, являющегося электропроводящим электролитом. При этом выделяется теплота, достаточная для расплавления кромок основного и присадочного металла и поддержания высокой температуры шлаковой ванны (20000С).

Электрошлаковая сварка имеет ряд преимуществ по сравнению с автоматической сваркой под флюсом:

- не требуется разделка кромок;

- можно сваривать изделия любой толщины;

- высокая производительность (в 7…10 раз, а при большой толщине - в 15…20 раз выше);

- уменьшение расхода электроэнергии на 1 кг наплавляемого металла;

- возможность изготовления крупных деталей из отдельных частей (сварно-литыми и сварно-кованными).

ЭШС широко применяется в тяжёлом машиностроении для изготовления ковано - сварных, лито-сварных конструкций (станины и детали мощных прессов, валы гидротурбин, коленвалы судовых двигателей и др.).

.4 Газовая сварка и резка металлов

При газовой сварке место соединения нагревают до расплавления высокотемпературным газовым пламенем, получаемым при сжигании горючего газа в атмосфере технически чистого кислорода. Зазор между свариваемыми кромками заполняют присадочным металлом.

В качестве горючих газов можно применять ацетилен, природный газ, водород, керосин, бензин, нефтяные газы (пропан-бутан) и др.

Наибольшее применение получила газовая сварка ацетиленокислородным пламенем, так как С2Н2 имеет большую теплотворную способность и температуру пламени (3200 0С).

Ацетилен получают в газогенераторах при взаимодействии воды с карбидом кальция:

СаС2+Н2О ® Са(ОН)2+С2Н2+Q.

При разложении 1 кг СаС2 получается 250…300 дм3 С2Н2 .

Ацетилен взрывоопасен при избыточном давлении свыше 0,175 МПа. Транспортируют его по шлангам или в баллонах, где он растворен в ацетоне (в 1 дм3 - 24 дм3 С2Н2). Давление в баллоне 0,6…2,2 МПа.

Ацетиленовые генераторы различают по способу взаимодействия карбида кальция с водой (КВ - карбид в воду, ВК - вода на карбид, К - контактный). Наибольший выход С2Н2 дает генератор КВ, наименьший - К.

Для предотвращения проникновения ацетиленокислородного пламени в генератор при обратном ударе (когда скорость истечения меньше скорости горения) устанавливают предохранительные водяные затворы.

Кислород поставляется к месту сварки в стальных баллонах под давлением 15 МПа. В баллоне емкостью 40 дм3 (литров) содержится 6 м3 кислорода. Для снижения давления газа на выходе из баллона и поддержания постоянной величины рабочего давления служит газовый редуктор.

Кислородный редуктор снижает давление с 15 до 0,1 МПа, ацетиленовый с 1,6 до 0,02 МПа.

Газосварочные горелки используют для образования газосварочного пламени. Наибольшее применение находит инжекторная горелка, работающая на среднем и низком давлении. Инжектор представляет собой втулку с конусным отверстием, на выходе из которой обеспечивается смешение газов в камере. Горелки имеют сменные наконечники с различными диаметрами выходных отверстий инжектора и мундштука для регулирования мощности пламени.

В зависимости от соотношения ацетилена и кислорода различают:

нормальное пламя (О2/С2Н2 = 1…1,2);

окислительное пламя (О2/С2Н2 = 1,4…1,5)

науглероживающее пламя (О2/С2Н2 < 1).

Характер пламени можно регулировать подачей газа. В подавляющем большинстве случаев используется нормальное пламя.

Науглероживающее пламя используют в случае компенсации выгорания углерода (чугун, цветные металлы).

Присадочную проволоку для газовой сварки выбирают в зависимости от состава свариваемого металла. Для сварки цветных металлов и некоторых специальных сплавов используют флюсы: кислые (бура с борной кислотой) - для сварки меди и ее сплавов; бескислородные - для сварки алюминиевых сплавов.

При газовой сварке заготовки нагреваются более плавно, чем при дуговой сварке, поэтому ее используют для сварки металла малой толщины (0,2..3 мм), легкоплавких цветных металлов и сплавов, требующих постепенного нагрева и охлаждения (инструментальных сталей, чугуна, латуней), для пайки и наплавочных работ, подварки дефектов чугунных и бронзовых отливок.

Резка металлов - газокислородная, кислородно-флюсовая, воздушно-дуговая, плазменно-дуговая.

Газокислородная резка заключается в горении металла в струе кислорода и удалении этой струей образующихся жидких оксидов. Горение железа в кислороде сопровождается выделением значительного количества теплоты.

Для начала горения металл подогревают до температуры воспламенения (для стали 1000…1200 ⁰С) ацетиленокислородным пламенем, затем подается струя режущего кислорода, и нагретый металл начинает гореть.

Выделяющаяся при этом теплота вместе с ацетиленокислородным пламенем разогревают металл 3 на всю его толщину. Образующиеся в зоне реза 4 оксиды 5 выдуваются струей режущего кислорода. Для обеспечения нормального процесса резки металл должен отвечать следующим основным требованиям:

) температура плавления металла должна быть выше его температуры горения в кислороде;

) температура плавления оксидов металла должна быть ниже температуры его плавления;

) теплопроводность металла не должна быть слишком высокой.

Указанным требованиям отвечают в основном низкоуглеродистые и низколегированные стали. Для резки высокоуглеродистых и высоколегированных сталей, чугуна, алюминия, меди, никеля и т.д. применяется кислородно-флюсовая резка.

Обычной кислородной резкой разрезают металл толщиной 5…300 мм, более 300 мм режут специальными резками. Широко применяется в литейном производстве для отделения литниковых систем, заливов, заусенцев, резки крупных слитков, в металлургии для прожигания леток в мартеновской печи, отверстий в стакане разливочных ковшей (кислородным копьем).

При кислородно-флюсовой резке в зону резки вместе с режущим кислородом подают порошкообразный флюс на железной основе (диаметр гранул 0,13...0,22 мм). Флюс выполняет следующие функции:

1) повышает температуру за счет сгорания в струе кислорода;

2) механически удаляет тугоплавкие оксиды;

3) понижает температуру плавления оксидов.

Плазменно-дуговая резка выполняется плазменной дугой или плазменной струей с помощью плазмотрона.

3. ермомеханический и механический классы сварки

.1 Электрическая контактная сварка

Электроконтактная сварка осуществляется в случае кратковременного нагрева места соединения, без оплавления, проходящим по металлу электрическим током. Количество теплоты, выделяемое в сварочной цепи, может быть определено по формуле, Дж,

= I²Rt,

где R - полное электрическое сопротивление сварочной цепи, Ом;- сварочный ток, А;- время протекания тока, с.

Полное сопротивление цепи определяется, как R = R_заг+R_K+R _эл, где R_заг - сопротивление металла свариваемых заготовок, R_эл - сопротивление электродов, R_к - сопротивление места контакта заготовок._K имеет наибольшее значение вследствие неровностей поверхности стыка и наличия окисных пленок и загрязнений. В результате в месте контакта металл нагревается до термопластического состояния или до оплавления.

Т.к. количество теплоты зависит от I_св², то для быстрого нагрева свариваемых кромок применяют большие токи (1 000…100 000 А). Это позволяет осуществить сварку за десятые и даже сотые доли секунды. Режим контактной сварки характеризуется следующими параметрами: током, временем протекания, силой осадки и временем её действия. По току и времени его протекания различают два режима сварки:

1 - жесткий (большой ток и малое время процесса сварки) - применяется для сталей, не склонных к закалке, и легкоплавких сплавов;

- мягкий (с большой продолжительностью процесса) - при сварке углеродистых сталей.

Режим сварки изображается в виде циклограммы (графическое изображение тока и давления, изменяющихся в процессе сварки).

Машины для контактной сварки состоят из двух основных частей:

) электрической (включает трансформатор, прерыватель тока, переключатель ступеней мощности. Вторичная обмотка трансформатора состоит из 1…2 витков, вторичное напряжение составляет 1…12 В).

) механической, состоящей из станины и механизмов, обеспечивающих фиксацию и сжатие свариваемых деталей.

Контактную сварку классифицируют по типу сварного соединения и по роду тока, питающего сварочный трансформатор. По типу сварного соединения различают сварку стыковую, точечную, шовную.

Стыковая сварка - разновидность контактной сварки, при которой заготовки свариваются по всей поверхности соприкосновения. Стыковую сварку с разогревом стыка до пластического состояния и последующей осадкой называют сваркой сопротивлением, а в случае разогрева торцов заготовок до оплавления и последующей осадкой - сваркой оплавлением.

Сваркой сопротивлением соединяют заготовки малого сечения (до 100 мм²), при большем сечении торец нагревается неравномерно. При этом торцы заготовок должны быть механически обработаны.

Сварка оплавлением имеет преимущества перед сваркой сопротивлением т.к. при этом не требуется особой подготовки места стыка, можно сваривать заготовки сложной формы, разнородные материалы.

Различают сварку непрерывным и прерывистым оплавлением. Первую осуществляют постепенным осаживанием заготовок, вторую при кратковременных сближениях и разъединениях заготовок. Стыковой сваркой изготовляют трубные элементы, колеса, кольца, инструмент, рельсы, железобетонную арматуру и др.

Точечная сварка - это сварка, при которой заготовки соединяются в отдельных точках, ограниченных площадью торцов электродов.

Заготовки собираются внахлестку и зажимаются с усилием Р между двумя медными электродами, подводящими ток к месту сварки. Нагрев проводится до пластического состояния внешних слоев заготовок и расплавления внутренних слоев. Затем ток включают и снимают давление. Образуется сварная точка с литой структурой.

В зависимости от расположения электродов по отношению к свариваемым деталям различают одностороннюю и двухстороннюю сварку. Односторонней сваркой можно соединять заготовки одновременно двумя и более точками. Многоточечные машины могут иметь от одной до сотни пар электродов, соответственно можно сварить 2…200 точек одновременно. Разновидность многоточечной сварки - рельефная сварка. Точечную сварку применяют для изготовления изделий из углеродистых и легированных сталей, алюминиевых, медных и титановых сплавов. Толщина заготовок составляет 0,5…5 мм.

Шовная сварка - разновидность контактной сварки, при которой между свариваемыми деталями образуется прочное и плотное соединение. Электроды выполняют в виде плоских роликов.

Заготовки соединяют внахлестку, зажимают электродами и пропускают ток. При движении роликов по поверхности деталей образуются в месте стыка перекрывающие друг друга сварные точки, в результате получают сплошной герметичный шов. Как и точечная, шовная сварка может быть односторонней и двухсторонней.

Шовную сварку применяют при изготовлении различных сосудов из листов 0,3…3 мм в массовом производстве.

Сварка аккумулированной энергией - конденсаторная сварка, при которой электроэнергия от питающей сети накапливается в батареях конденсаторов. Энергия разряда расходуется на сварку. Применяется для изделий малых толщин (0,005…2 мм).

Тонкий металл (0,2…0,3 мм) при этом можно приварить к металлу толщиной 10…15 мм.

К термомеханическому классу, кроме электроконтактной, можно отнести также диффузионную сварку в вакууме и индукционную сварку. Их сущность рассмотрена ниже в разделе «Новые способы сварки».

В том же разделе рассмотрены особенности холодной сварки давлением, ультразвуковой сварки и сварки трением, относящихся к механическому классу сварки.

Технологические возможности термомеханического и механического классов сварки достаточно широки от сварки труб диаметром до 1600 мм и толщиной стенки до 15 мм (стыковая эл. контактная сварка, индукционная) до сварки тончайших фольг толщиной 0,001…0,005 мм (конденсаторная, ультразвуковая сварка). При этом можно сваривать как однородные, так и разнородные материалы (диффузионная, ультразвуковая, трением, холодная сварка).

сварка металл термический электродуговой

4. Новые способы сварки

Электронно-лучевая сварка осуществляется посредством плавления металла сфокусированным пучком электронов, управляемых электрическим полем высокого напряжения. При падении электронного луча на изделие около 99% кинетической энергии электронов превращается в тепловую. При этом развивается температура порядка 5000…6000 ⁰С.

Сварку выполняют в герметических камерах с высоким вакуумом или инертной атмосферой. Электронный луч формируется с помощью электронной пушки.

Электроны, полученные на катоде электронной пушки, формируются в пучок. Под действием разности потенциалов между катодом и анодом (20…150 кВт и выше) электроны в пучке ускоряются. Затем магнитными линзами электроны фокусируются в виде луча, который направляется магнитной системой на изделие.

Вследствие фокусировки луча на чрезвычайно малой площади (менее 0,001 см) достигается высокая удельная мощность луча. При этом отношение глубины проплавления металла к ширине шва может достигать 20:1, такое проплавление называется кинжальным. За один проход можно сварить металл от 0,02 до 100 мм и более. Электронно-лучевой сваркой свариваются детали из тугоплавких, химически активных металлов и сплавов, алюминиевых и магнитных сплавов и высоколегированных сталей.

2 Индукционная сварка осуществляется нагревом металла до пластического состояния или до оплавления с помощью индукционных токов средней (2…10 кГц) или высокой (70…500 кГц) частоты с последующим сжатием свариваемых деталей. Этим способом свариваются в основном трубы различного диаметра (до 1600 мм) при толщине стенок 0,1…16 мм. Трубная заготовка перемещается между обжимными роликами 3 и нагревается кольцевым индуктором 2. Вследствие большой плотности индукционных токов на участке заготовки перед роликами металл быстро нагревается до температуры плавления. Последующим обжатием заготовки роликами 3 образуется сварное соединение.

Достоинством метода является возможность сваривать трубы из горячекатаной не очищенной от окалины заготовки, а также его высокая производительность, особенно при использовании токов высокой частоты (350…500 кГц).

3 Сварка трением - основана на разогреве металла при трении деталей друг о друга, т.е. на преобразовании механической энергии в тепловую.

Свариваемые детали нагреваются до пластического состояния, после чего их сжимают осевым усилием.

Этим способом сваривают встык детали кругового сечения (трубы, стержни, режущие инструменты), изготавливаемые из однородных и разнородных металлов, а также пластмасс.

Холодная сварка давлением осуществляется без нагрева за счет усилия сжатия. При этом качество сварки зависит от качества подготовки поверхности деталей. Свариваемые поверхности тщательно очищаются от окислов и загрязнений. Высокое давление сжатия (150…1000 МПа) способствует проявлению сил межатомного сцепления. Этим методом свариваются высокопластичные металлы (алюминий, медь, серебро, никель и др.).

Диффузионная сварка в вакууме основана на взаимной диффузии атомов в поверхностных слоях контактирующих металлов, помещенных в вакууме, нагретых до 400…1300 ⁰С и сжатых до 10…20 МПа.

Таким способом соединяются трудносвариваемые детали, разнородные металлы и их сплавы и металлокерамика с металлами.

В вакуумной камере 2 свариваемые детали 3, очищенные от загрязнения и оксидов, нагреваются, как правило, токами высокой частоты или контактным способом с помощью нагревательного устройства 4, с последующим сдавливанием устройством 1 в течение 10…20 мин.

Основным преимуществом этого способа является получение равнопрочного соединения без заметных изменений физико-механических свойств металла в зоне сварки. Диффузионную сварку применяют в космической технике, радиоэлектронике, самолетостроении, приборостроении и др. отраслях.

6 Ультразвуковая сварка осуществляется с использованием ультразвуковых колебаний и небольших сжимающих усилий. Колебания получаются с помощью магнитострикционного эффекта, заключающегося в способности некоторых металлов и их сплавов (например, сплав никеля с железом - пермалой) преобразовывать электромагнитные колебания ультразвуковой частоты (15…100 кГц) в механические колебания той же частоты.

При включении обмотки магнитострикционного преобразователя 1 в цепь генератора тока высокой частоты в преобразователе образуются упругие механические колебания, которые по волноводу 3 и электроду 4 передаются на свариваемые детали 5. Поверхностные слои деталей подвергаются сдвиговой деформации, за счет этого развивается достаточно высокая температура, и разрушаются пленки. При последующем сдавливании металл пластически деформируется и проходит сваривание.

Ультразвуковой сваркой можно получить точечные и шовные соединения внахлестку и соединения по замкнутому контуру. Сваривают металл толщиной от 0,001 до 1 мм, а также приваривают тонкие листы и фольгу к заготовкам неограниченной толщины. При этом свариваемые поверхности не требуют тщательной очистки. Этим способом можно сваривать однородные и разнородные металлы (например, алюминий с медью, медь со сталью), а также пластмассы. Используют сварку в радиоэлектронике, приборостроении, авиационной промышленности.

7 Сварка взрывом - при сварке взрывом лист приваривается к листу по всей плоскости. Для этого на поверхности верхнего листа укладывается взрывной заряд, воспламеняющийся от детонатора. Образующаяся при этом мощная взрывная волна отбрасывает верхнюю деталь на нижнюю со скоростью порядка 1000 м/с. При соударении свариваемых поверхностей возникает пластическая деформация и расплавление микрообластей. За счет установки деталей под некоторым углом a друг к другу сближение происходит не одновременно по всей поверхности детали. При этом из зазора вытесняется воздух, который сдувает с поверхности загрязнение. Происходит надежная сварка по всей свариваемой плоскости. Сваркой взрывом можно соединять однородные и разнородные металлы и сплавы, в частности получать биметаллические изделия.

8 Лазерная сварка осуществляется за счет мощного сконцентрированного светового луча, создаваемого в установках, именуемых лазерами. Основное применение находят рубиновые лазеры с искусственным рубином. Лазер состоит из рубинового стержня 1, ксеноновой лампы 2, линзы и охлаждающей системы 3. При вспышке ксеноновой лампы, питаемой разрядным током конденсаторов, рубиновый кристалл излучает поток фотонов. Пройдя через линзу, сфокусированный пучок попадает на изделие. Продолжительность импульса лазерного луча составляет тысячные, и даже миллионные доли секунды. Отдельными точками лазерным лучом можно сваривать различные металлы толщиной до 0,5 мм, а также получать отверстия в тугоплавких металлах, твердых сплавах, алмазах и др.

5. Технология сварки различных металлов и сплавов

5.1 Свариваемость металлов и сплавов

Способность металлов и сплавов к сварке оценивается по их свариваемости.

Свариваемостью называется свойство или сочетание свойств металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия.

Свариваемость стали принято оценивать по следующим основным показателям:

1 Склонности металла к образованию горячих и холодных трещин.

К изменению структуры в околошовной зоне и образованию закалочных структур.

Соответствию физико-механических свойств сварного соединения техническим условиям.

На свариваемость большое влияние оказывает химический состав свариваемого и присадочного металла. Чтобы яснее представить характер влияния на свариваемость стали различных факторов, рассмотрим строение сварного соединения углеродистой стали.

Сильное тепловое воздействие сварочной дуги вызывает резкое изменение химического состава, структуры и механических свойств металла шва (по сравнению с электродным присадочным металлом) и участка основного металла, прилегающего ко шву (по сравнению с удаленными зонами основного металла, не подвергаемыми термическому воздействию). Эти изменения влияют на качество сварного соединения. Металл шва, как правило, имеет литую крупнозернистую структуру, обладающую пониженной пластичностью. Измельчение структуры шва достигается легированием шва элементами-модификаторами либо специальными технологическими приемами.

Зону основного металла, прилегающую ко шву, называют зоной термического влияния (З.Т.В.).

В этой зоне различают шесть характерных участков. Наиболее опасными являются первые два.

Участок неполного расплавления (зона сплавления). В нем происходят диффузионные процессы и поглощение газов.

Участок перегрева - характеризуется крупнозернистой структурой с низкими механическими свойствами. Этот участок особенно опасен для сталей, склонных к закалке. Здесь наблюдается образование закалочных структур, повышение твердости, падение пластичности и, как следствие, холодные трещины.

Свариваемость углеродистой стали изменяется в зависимости от содержания основных легирующих элементов и примесей.

Углерод наиболее заметно ухудшает свариваемость. С увеличением содержания углерода в З.Т.В. появляются закалочные структуры и трещины, шов получается пористым.

Сера и фосфор являются вредными примесями и приводят к появлению холодных и горячих трещин.

Газы (O2, N2, H2) ухудшают свариваемость (особенно заметно - водород, приводит к появлению холодных трещин).

Влияние основных легирующих элементов (Si, Mn, Cr, Ni, Mo) на свариваемость зависит от их содержания в стали.

Для металлов с пониженной свариваемостью характерно образование горячих или холодных трещин в шве и З.Т.В.

На стойкость сварных соединений против образования трещин оказывает влияние развитие сварочных напряжений и деформаций. Снижение внутренних деформаций и напряжений - один из путей предупреждения трещин. Это достигается уменьшением геометрической жесткости свариваемых заготовок, исключением закрепления при сварке, применением предварительного подогрева для выравнивания температур по объему изделия, использованием высокого отпуска изделия непосредственно после сварки. Для снижения внутренних сварочных напряжений и деформаций служит также метод создания обратных деформаций, состоящий в придании изделию предварительных деформаций, обратных сварочным деформациям.

5.2 Сварка углеродистых и легированных сталей

Низкоуглеродистые и низколегированные стали обладают хорошей свариваемостью и свариваются всеми способами без особых трудностей. Углеродистые и легированные стали с содержанием углерода более 0,3% (например, 45, 30ХГСА, 40ХНМА и др.) склонны к закалке в З.Т.В. при типовых режимах сварки и, таким образом, очень чувствительны к образованию холодных трещин.

1) предварительный и последующий подогрев деталей до температуры 100…350 ⁰С;

2) прокалка электродов и флюсов при температуре 400…450 ⁰С, осушение защитных газов перед сваркой (предупреждает попадание водорода);

3) термообработка после сварки (низкий и высокий отпуск).

Контактную сварку таких сталей выполняют на мягких режимах.

.3 Сварка высоколегированных сталей

К ним относятся стали, содержащие более 8…10% легирующих элементов. При сварке этих сталей наблюдается образование карбидов и их выделение по границам зерен, образование закалочных структур, выгорание легирующих элементов, образование трещин (холодных и горячих). Во избежание этих явлений необходимо:

1) сварку проводить с предварительным подогревом (150…400 ⁰С);

) не допускать перегрева металла (сварка на малой погонной энергии);

) применять специальные составы флюсов и электродных материалов (способствует измельчению зерна);

) применять термообработку после сварки (высокий отпуск или отжиг).

5.4 Сварка чугуна

Сварка чугуна производится при исправлении брака в чугунных отливках, при ремонтных работах (заварке трещин), а также при изготовлении сварно-литых конструкций из высокопрочных чугунов.

Чугун - трудно свариваемый сплав.

Основные трудности сварки:

1) образование в сварном соединении зоны отбеливания (структуры цементита) в связи с большой скоростью охлаждения расплавленного чугуна;

) возникновение трещин при местном нагреве;

) выгорание углерода и образование пор;

) образование шлаковых включения кремнезема;

) неоднородность механических свойств вследствие структурной неоднородности (феррит, перлит, цементит и др.).

Применяют два основных способа сварки чугуна - горячую и холодную сварку.

Горячая сварка производится с предварительным и сопутствующим подогревом деталей до 400…700 ⁰С. Детали подогревают в печах. Применяется ручная или полуавтоматическая дуговая сварка, электрошлаковая, а также науглероживающим газовым пламенем. После сварки деталь медленно охлаждают вместе с печью или засыпают песком, шлаком, накрывают асбестом и т.д. для уменьшения скорости охлаждения.

В качестве сварочных материалов используют чугунные электроды из серого чугуна, медь и ее сплавы, буру (Na₂B₄O₇).

Холодная сварка производится без подогрева стальными медно-железными, медно-никелевыми электродами, электродами из аустенитного чугуна, а также порошковыми и сплошного сечения проволоками на железоникелевой основе (например, ПАНЧ-11) с добавлением модификаторов.

Стальные электроды используют при ремонте неответственных деталей, для ответственных: монельметалл (70% Ni, 28%Cu, Fe-остальное), мельхиор (80% Cu, 20% Ni), ПАНЧ - 11(90% Ni, 10% Fe, 0,25% Ce).

Применяют также сварку с местным нагревом до температуры 250…450 ⁰С и замедленным охлаждением изделия после сварки - полугорячую.

.5 Сварка алюминия и его сплавов

Трудности при сварке алюминия и его сплавов связаны:

) с образованием тонкой, прочной и тугоплавкой поверхностной пленки Al2O3 (Тпл=2050°С);

) склонностью к образованию газовой пористости (водородной);

)склонностью к образованию горячих трещин (связана с крупнокристаллитной макроструктурой швов);

) низкой температурой плавления;

) большой теплопроводностью (~ в 3 раза выше, чем у стали).

Для удаления пленки Al2O3 и защиты металла от повторного окисления используют флюсы, состоящие из хлоридов и фторидов Na, K, Ba Li, Ca (действие их основано на растворении пленки оксидов), или ведут сварку в атмосфере инертных газов (аргона). Применяют аргонодуговую сварку неплавящимся электродом на переменном токе (для обеспечения эффекта катодного распыления) с использованием осцилляторов, а также сварку плавящимся электродом на постоянном токе обратной полярности.

Для предупреждения газовой пористости необходима тщательная механическая и химическая (раствором NaOH) очистка свариваемых кромок и сварочной проволоки.

Для предотвращения горячих трещин в шов через проволоку вводят Fe (нейтрализует вредное влияние кремния) и модификаторы Zr, Ti, и В (измельчают кристаллы). При сварке алюминиевого литья применяют подогрев до 250 ⁰С. Для получения мелкозернистой структуры после сварки предусматривают термообработку.

Применяют также автоматическую сварку плавящимся электродом по слою флюса. При контактной сварке Al - сплавов применяют токи большой силы (значительно больше, чем при сварке стали) малое время сварки (жесткий режим). Газовая сварка Al - сплавов производится горелками по мощности в два раза больше чем при сварке сталей.

В настоящее время все шире применяется электронно-лучевая сварка.

5.6 Сварка меди и ее сплавов

На сварку меди значительное влияние оказывает содержание примесей O2, H2, Bi, Pb. Вредные примеси являются причиной образования горячих трещин (O2, Bi, Pb), газовой пористости (Н2), повышенной хрупкости (Н2О).

Для сварки меди используется сварка в среде Ar, He на повышенной погонной энергии, газовая сварка пламенем повышенной мощности (вследствие высокой теплопроводности меди). При этом при сварке изделий толщиной свыше 4 мм применяют предварительный подогрев до 300 ⁰С. Сварку ведут электродными материалами с повышенным содержанием раскислителей (Ti, Zr, B, P, Si и др.).

Сварку деталей большой толщины (свыше 30 мм) производят плазменной сваркой, а более 50 мм - электрошлаковой.

Сварка латуней производится в основном газовым пламенем. Применяется также сварка неплавящимся электродом в среде защитных газов. Основной трудностью при сварке латуней является испарение цинка. В результате снижается прочность и коррозионная стойкость латуней. Кроме того, пары цинка ядовиты (сварщики работают в масках). В связи с этим сварку латуней ведут с большой скоростью и использованием так называемого газового флюса. В пламя горелки подают пары борсодержащей жидкости. Образующийся на поверхности сварочной ванны борный ангидрид (В2О3) связывает пары цинка в шлак.

Бронза сваривается такими же методами, как и латунь. Оловянистые бронзы при температуре порядка 600 ⁰С приобретают повышенную хрупкость. В связи с этим сварку ведут на подкладках с большой скоростью во избежание нагрева металла.

5.7 Сварка магниевых сплавов

Основная трудность - легкая воспламеняемость магния. Кроме того, на поверхности расплавленных магниевых сплавов образуется окисная пленка с Тпл=2500 ⁰С. Поэтому сварку Mg-сплавов производят методами, аналогичными применяемым при сварке алюминием.

5.8 Сварка титановых сплавов

Сварка титановых сплавов производится в среде аргона. При этом дополнительно защищают струями аргона корень шва и еще не остывший до температуры 350 ⁰С участок шва. Дополнительно могут применять флюс. Это связано с тем, что при повышенных температурах титан интенсивно поглощает газы (O2, H2, N2). Проволоку и основной металл перед сваркой дегазируют путем вакуумного отжига. Допустимое количество газов в швах составляет Н2 < 0,01%; О2<0,1%; N2<0,05%. При большем содержании газов снижается пластичность металла и повышается опасность появления холодных трещин. Поэтому сварку ответственных соединений ведут в камерах с контролируемой атмосферой. Для сварки титана также применяют электрошлаковую (при s>40 мм), электронно-лучевую и плазменную сварку.

6. Контроль качества сварных соединений

Дефекты в сварных соединениях бывают двух типов: внешние и внутренние. К внешним относятся: неравномерность поперечного сечения по длине швов, не заплавленные кратеры, подрез, наружные несплавления, поверхностные трещины и поры.

К внутренним: скрытые трещины и поры, внутренние непровары и несплавления, шлаковые включения и др.

Причины образования дефектов разнообразны. Неравномерность сечения шва возникает вследствие нарушения режима сварки. Подрезы - в случае большого тока и большой мощности сварочной горелки.

Причиной образования пор является насыщенность швов газами (H2, CO, N2, O2), проникающими из воздуха, покрытия, флюса, проволоки, загрязненных кромок изделия.

Причиной непроваров может явиться малая величина тока или мощность горелки, плохая зачистка кромок основного металла или слоев при многослойной сварке, низкая квалификация сварщика, неправильная технология сборки и сварки.

Трещины образуются при сварке сталей с повышенным содержанием углерода или легирующих элементов, а также серы и фосфора. Причинами их могут также быть большие деформации при сварке, а также чрезмерно жесткое закрепление свариваемых деталей.

Трещины и непровары - наиболее опасные дефекты сварных соединений.

Методы контроля делят на разрушающие и неразрушающие в зависимости от нарушения целостности соединения при контроле. Основными видами контроля являются:

1 Внешний визуальный контроль (предварительный контроль). Определяют подрезы, поры, трещины, неравномерность сечения и т.д.

Механические испытания с целью определения механических свойств (sТ, sВ, d, y, кси).

Испытание швов на плотность (герметичность) проводится при гидравлическом, пневматическом испытании или керосиновой пробе. Первым двум видам испытания подвергают сосуды, трубы емкости, работающие под давлением.

4 Рентгеновское просвечивание выявляет поры, трещины, непровары и шлаковые включения в стали толщиной 10…200 мм, алюминии - до 300 мм, меди - до 25 мм без разрушений соединений.

Просвечивание гамма - лучами основано на излучении радиоактивных элементов: радия, тория и искусственных изотопов (кобальта, цезия, иридия и др.).

Применяют для просвечивания магистральных трубопроводов. Фиксируют дефекты в сварных швах при просвечивании рентгеновскими, гамма лучами с помощью рентгеновской пленки.

6 Ультразвуковой метод применяют для выявления дефектов в металле толщиной 5…3600 мм. Основан на способности ультразвуковых колебаний проникать на большую глубину и отражаться от дефектов. В местах дефекта появляется пик сигнала.

7 Магнитный контроль основан на принципе рассеяния магнитных потоков (замыкания через воздух) в местах дефектов. Пригоден для определения мелких трещин, пор, непроваров. Дефекты фиксируются с помощью магнитного порошка, записи на ферромагнитной пленке (магнитографический метод), либо с помощью магнитоэлектрического прибора (индукционный метод).

Металлографические исследования - проведение макро- и микроанализа сварных швов. Макроанализом выявляют поры, трещины, шлаковые включения, непровары и др., микроанализом - структуру и структурные составляющие, микротрещины, неметаллические включения.

7. Технологичность сварных соединений

Под технологичностью понимают выбор конструкции заготовок, который обеспечивает удобство и простоту изготовления любыми видами сварки и при различных режимах; применение высокопроизводительных видов сварки; автоматизацию и механизацию операций технологического процесса; низкую себестоимость процесса сварки за счет экономии сварочных материалов, повышение производительности; сведение к минимуму коробления при сварке. Технологичность обеспечивается выбором металла (эксплуатационные свойства, свариваемость), типа соединения (взаимное расположение свариваемых элементов, форма подготовки кромок под сварку в зависимости от толщины и типа соединения), формы свариваемых элементов (исходя из применения высокопроизводительных способов сварки, свободного доступа к лицевой и корневой частям шва, выполнение сварки в нижнем положении и др.), выбором вида сварки (исходя из размера и формы соединения, расположения швов, физико-химических свойств материалов, возможности автоматизации и механизации сварки), выбором способа уменьшения деформации и напряжения.

Литература

1.      Магомедов М.Н.: Изучение межатомного взаимодействия, образования вакансий и самодиффузии в кристаллах. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010

2.      Симонов Е.: Гипсокартонные работы своими руками. - СПб.: Питер, 2010

.        Симонов Е.В.: Дизайн, перепланировка, отделка квартир. - СПб.: Питер, 2010

.        [под общ. ред. М.М. Криштала ; рец.: А.М. Глезер, В.С. Кондратенко] ; Криштал М.М. и др.: Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ в примерах практического применения. - М.: ТЕХНОСФЕРА, 2009

.        Габуда С.П.: Неподеленные электронные пары и химическая связь в молекулярных и ионных кристаллах. - Новосибирск: СО РАН, 2009

.        Головин Ю.И.: Наноиндентирование и его возможности. - М.: Машиностроение, 2009

.        М-во образования и науки РФ, Федеральное агенство по образованию, Санкт-Петербургский гос. электротехнический ун-т "ЛЭТИ": Развитие инфрастуктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008-2010 годы. - Тверь: Тверской государственный университет, 2009

.        М-во образования и науки Украины , Харьковский национальный ун-т им. В.Н. Каразина ; рец.: И.Е. Проценко, А.Г. Багмут: Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии. - Харьков: ХНУ им. В.Н. Каразина, 2009

.        под ред. В.С. Чередниченко ; [рец.: Г.П. Фетисов и др.]: Материаловедение. - М.: Омега-Л, 2009

.        Солнцев Ю.П.: Материаловедение. - М.: Академия, 2009

.        Жиляев А.П.: Сверхпластичность и границы зёрен в ультрамелкозернистых материалах. - М.: Физматлит, 2008

.        под ред. С.Б. Рыжова: Стали и сплавы энергетического оборудования. - М.: Машиностроение, 2008

.        Сильман Г.И.: Материаловедение. - М.: Академия, 2008

.        Тюрин Ю.Н.: Плазменные упрочняющие технологии. - Киев: Наукова думка, 2008

.        Черепахин А.А.: Материаловедение. - М.: Академия, 2008

.        Чумаченко Ю.Т.: Материаловедение. - Ростов н/Д: Феникс, 2008

.        Белов Н.А.: Диаграммы состояния тройных и четверных систем. - М.: МИСИС, 2007

.        Мармер Э.Н.: Материалы для высокотемпературных вакуумных установок. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007

20.    Московский гос. ин-т стали и сплавов, Саратовский гос. ун-т им. Н.Г. Чернышевского; под ред. Л.В. Кожитова: Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники. - М.: МИСиС, 2007

.        Под ред. Г.П. Фетисова; Рец.: В.В. Атрощенко, В.М. Приходько: Материаловедение и технология металлов. - М.: Высшая школа, 2007

.        Солнцев Ю.П.: Материаловедение. - СПб.: Химиздат, 2007

23.    Солнцев Ю.П.: Материаловедение. Применение и выбор материалов - СПб.: Химиздат, 2007

.        Федеральное агентство по образованию, Московский гос. ин-т стали и сплавов (Технологический ун-т), Саратовский гос. ун-т им. Н.Г. Чернышевского ; под ред. Л.В. Кожитова ; авт-сост.: В.П. Менушенков и др.: Оборудование, технологии и аналитические системы для материаловедения, микро- и наноэлектроники. - М.: МИСиС, 2007.